[논문]고분자 구배표면 제조와 생체의료학적 응용

이해방; 김문석; 조영호; 강길선; 이진호

고분자 구배표면 제조와 생체의료학적 응용
Preparation of Gradient Polymer Surface and Their Pluripotent Biomedical Applications 원문보기

폴리머 = Polymer (Korea), v.29 no.5, 2005년, pp.423 - 432

이해방 (한국화학연구원 나노생체재료연구팀) , 김문석 (한국화학연구원 나노생체재료연구팀) , 조영호 (전북대학교 유기신물질공학과) , 강길선 (전북대학교 유기신물질공학과) , 이진호 (한남대학교 정보신소재공학과)

초록
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지난 30년에 걸쳐 다양한 생체재료가 개발되어져 생체의료 시장에 응용되고 있다. 생물의학 분야에서 생체재료의 실질적인 활용은 생체적합성으로 언급된 생체재료에 알맞은 물리적$\cdot$생물학적 반응에 대한 연구에 의존하고 있다. 다양한 표면 처리 방법을 통한 생체재료의 개질은 표면 공학 분야에서 최근에 흥미로운 주제로 떠오르고 있다. 대다수의 연구그룹들은 최근 재료의 길이에 따라 점차적으로 다양한 화학적 조성물들이 표면에 존재하게 하는 실험에 관해 초점을 모으고 있다. 이러한 "구배표면" 생물학적 기종과 재료표면 사이의 상호작용에 대한 기초적인 응용 연구에 특별한 흥미를 보여준다. 본 총설은 한 가지 시료 위에 다양한 구배표면을 만드는 실험과 특성파악, 그리고 이들 재료표면과 생물학적 기종들과의 상호작용 규명에 초점을 두었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Over last three decades, various biomaterials has been developed and applied in the biomedical market. The practical utilization of biomaterials depends on the study about an appropriate physical and biological response of biomaterials. The modification of biomaterials using various surface treatment methods has recently become an interesting topic in the field of surface engineering. A padient surface is the surface on which a gradually varying chemical composition exists along its length. A large number of research groups have been focused on the preparation of gradient surfaces. Such gradient surface is of particular interest for basic and applied studies of the interactions between biological species and surfaces since the effect of a selected property like wettability or chemical composition can be examined in a single experiment on one surface. The present review focuses on the preparation and characterization of various gradient surfaces, and their interactions with biological species.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

후에 다른 많은 연구를 통해 확인되었다. Kaelble과 MoacanSe 표면 에너지와 관련하여 생체접착을 연구하였다.¹⁵ Baier와¹⁶ van der Valk 등은¹⁷ 표면 자유에너지와 세포 점착 사이의 상호작용을 일부 보여 주었다.
²³ 그들은 흡착된 단백질의 양이 가장 소수성인 재료에서 높았으며 기질의 젖음성이 증가함에 따라 흡착량이 감소함을 보였다. Lu와 Paike 다른 젖음성의 기질 위에 흡착된 피브리노겐의 형태적 변화 정도를 연구하였다.⁹그들은 흡착된 단백질의 양에 대해 표면이 좀더 소수성일수록 증가하며 흡착된 단백질은 표면 소수성 증가에 따라 큰 형태적 변화를 가지게 된 것을 보여 주었다.
현재 우리는 측정기기의 발전에 힘입어 나노 또는 분자차원의 연구시대에 있으므로 실험하고자 하는 시료를 가능한 더 작게, 더 적게 사용하며 특정미세현상을 더 빨리 규명하거나 추적하는 새로운 지식과 기술을 창출할 수 있는 결과물을 요구받고 있습니다. 본 연구팀은 지속적으로 본 연구주제를 승화 발전시킴으로서 생체재료, 바이오센서, 표적지향 약물전달 시스템 디스프레이 등 광범위한 분야에 기여할 수 있기를 희망하며 오늘도 후배 과학자들과 함께 새로운 현상을 찾고 이해하려 노력하고 있습니다.
이와 같이 생체적합성 재료로 특별한 위치에서 in vivo 혹은 in vivo를 통한 생물학적 종의 빠르고 정확한 인식과 결합반응에 대한 연구는 도전할만한 목표이다. 본 장에서는 구배표면에 단백질 흡착과 세포점착 연구를 소개한다.
본 총설의 주요내용은 구배표면에 생체기능성 그룹의 도입을 통해서 젖음성 구배표면의 실행방법을 요약하였고, 생체의료 분야에서 구배표면의 특성과 응용성을 제시한다.
이것은 표면의 친수성과 소수성 관계에 연관되어 있을 수도 있다. 이와 같이 생체적합성 재료로 특별한 위치에서 in vivo 혹은 in vivo를 통한 생물학적 종의 빠르고 정확한 인식과 결합반응에 대한 연구는 도전할만한 목표이다. 본 장에서는 구배표면에 단백질 흡착과 세포점착 연구를 소개한다.
본 총설에서 표면 젖음성(특히 젖음성 구배표면)에 초점을 맞췄다. 젖음성 구배표면은 많은 연구그룹들을 통해 1987년 이래 단백질과 세포의 상호작용을 연구하기 위해 수행되었다. 그들은 확산 방법을 통해 실리콘 혹은 유리기질에 수행하였고, 플라스마 방전 처리와 코로나 방전 처리를 이용하여 다양한 고분자 기질에 수행하였다.

제안 방법

30,31 본 연구팀에서는 코로나 처리한 PE 구배표면에서 단백질 흡착의 모델로서 인간의 알부민(human albumin)의 결합특성을 조사하였다^62,89 알부민이 흡착된 구배표면은 ESCA로 분석하였다. 또한 약간의 질소가 대기 중에서 코로나 처리에 의해 표면에 부가되는 것을 관찰했기 때문에 표면으로부터 질소를 나타내는 신호는 단백질 흡착의 척도로 사용되었다.
Comb-like PEO로 그래프트된 PE 표면에 흡착된 단백질의 상대적인 양 또한 평가되었다.^65,72 대조군인 순수한 PE 표면에 흡착된 단백질은 PEO-MA 그래프트된 표면보다 훨씬 많으며, PE 표면에서 더 많은 양의 단백질이 흡착되었음을 나타냈다.
RFPD 처리에 의한 고분자 표면의 화학적 구조에서 변화는 ESCA 로 조사되었다.^50,85 Figure 9는 ESCA를 통해 코로나 처리된 PE 표면의 탄소 IS core의 scan spectra 정도를 보여준다.
산소를 바탕으로 한 작용기는 코로나 전압의 세기가 증가함에 따라 증가하였다. 게다가, 조사한 스펙 트럼의 결과는 공기 중의 모든 전자(수소와 헬륨을 제외한)에 대해 표면의 원소성분에 대한 정보를 제공한다. 원소는 각 원소의 고유의 결합 에너지를 통해 확인하였다.
이것은 또한 소수성을 나타내는 PE 표면에서 단백질 분자의 소수성에 대한 상호작용 때문이다. 또한 단백질의 형광강도를 나타내는 구배표면을 제조하였다.^75,76 이는 여러 결합시스템에서, 자연적으로 발생하는 가장 큰 결합력인 avidinbiotin 상호작용(K_D~10^{비록 적외선분광기의 표면에 대한 자극감응성은 종종 구배 표면에 흡착된 단일분자 층이 너무 깊어서 감지할 수 없는 마이크로미터 범위 내에 있을지라도 infrared spectroscopy in attenuated total reflection(ArR) mode를 통해 종종 구배표면을 특성분석하기 위해 사용된다. 본 연구팀은 코로나 방전 처리한 PE 표면에 과잉의 산소로 도입시켰고, 연속적으로 FTIR-ATR을 이용하여 적외선 spectra의 경계면을 결정하였다.^{61-69,72,76,85} 코로나 방전을 통해 장기간 노출된 구배 부분은 강한 C = 0 흡착부분을 지녔으며, 강도가 점차적으로 증가하는 피크를 보였다(Figure 10).}

이것은 구배표면의 소수성 영역에서 단백질 분자의 소수성에 대한 상호작용이 증가했기 때문이다. 알부민이 흡착된 표면은 또한 FUR-ATR로 분석하였다. 그것은 표면에 흡착된 단백질로부터 아미드 n (1500-1600 cm^-1) 흡수 bands가 또한 젖음성 구배에 따라 점차적으로 감소함을 관찰하였다.

게다가, 조사한 스펙 트럼의 결과는 공기 중의 모든 전자(수소와 헬륨을 제외한)에 대해 표면의 원소성분에 대한 정보를 제공한다. 원소는 각 원소의 고유의 결합 에너지를 통해 확인하였다. 코로나 처리의 경우, 수산기 혹은 ether 그룹(-CO)은 다른 작용기보다 표면에 더 많이 생성되었다.

4의 플라스마 용액에서 PECOOH나 PE-NaSS는 음으로 전하될 수 있고, PE-CONH₂ 나 PE-DMAPAA는 양으로 전하될 수 있다. 이온 그룹으로 구배표면 은 물을 이용한 접촉각, ESCA, 그리고 FUR-AIR로 특징을 관찰하였다. 이와 같은 모든 데이터는 이온 그룹이 PE 표면에서 밀도가 점차적으로 증가함으로써 그래프트화되었음을 보여준다.

게다가, 물에서 PEI는 양자화 때문에 양이온을 띤다. 이와 같은 PEI를 이용한 화학적 개질이 표면에서 수행되었으며,^70-71 코로나 처리된 PE 구배표면에서 카복실 그룹은 N-ethyl-N'-다이메틸아미노프로필) carbodiimide(EDC)로 활성화시킴으로써 PEI를 도입하였다. ESCA에 서, PEI 내에 C-N 종의 기여로 인해 탄소 1S 피크 높이가 PE 샘플 길이에 따라 증가하였다.

PEO-MA에서 PEO 사슬 길이에 따라 증가하는 PEO-MA의 그래프트 양은 PEO-MA macamere에서 긴 PEO 가지 사슬의 입체방해성 때문에 감소한다. 준비된 comblike PEO 구배표면은 물을 이용한 접촉각과 FnR-ATR(Figure 7), 그리고 ESCA 측정을 통해 특징을 분석하였다. 이러한 모든 측정 데이터는 점차 증가하는 PEO의 밀도에 따라 PEO 사슬이 PE 표면에 그래프트되 었음을 나타내준다.

증기 플라스마 처리에 의해서, 고분자 표면의 젖음성은 대부분 증가하였고, 표면 위에 도입된 거의 모든 작용기가 수산화 그룹이다. 증기 플라스마 처리에 의한 고분자 표면의 화학적 구조 변화는 물을 이용한 접촉각과 ESCA 측정을 이용하여 분석하였다. 여러 고분자 중에서, PE는 표면에서 수산화 그룹이 가장 높은 밀도를 나타냈다(Table 2).

대상 데이터

^68-69 Comb-like PEO 구배 표면은 PE 표면에 폴리에틸렌옥사이 드 모노메타크릴레이트 macromers (PEO- MA)의 그래프트 공중합에 의해 실행되었다.^65-72-74 1, 5, 10의 다른 PEO 반복단위를 갖는 maoumere가 사용되었고, comMike PEO 사슬 밀도는 전압의 세기가 점차 증가하는 코로나 방천 처리에 의해 시료 길이에 따라 점차 변화되었다(Figure 6). PEO-MA에서 PEO 사슬 길이에 따라 증가하는 PEO-MA의 그래프트 양은 PEO-MA macamere에서 긴 PEO 가지 사슬의 입체방해성 때문에 감소한다.

성능/효과

38,87 ANS 형광의 높은 강도는 구배의 소수성 부분에서 발견되고, 친수성 부분에서 형광 강도는 나타나지 않았다. 이와 같이 TIRF는 구배 실리카 혹은 유리 표면의 젖음성을 분석하기 위해 사용될 수 있다.
65,72 대조군인 순수한 PE 표면에 흡착된 단백질은 PEO-MA 그래프트된 표면보다 훨씬 많으며, PE 표면에서 더 많은 양의 단백질이 흡착되었음을 나타냈다. 이것은 또한 소수성을 나타내는 PE 표면에서 단백질 분자의 소수성에 대한 상호작용 때문이다.
최근에 본 연구팀은 젖음성 구배 PE 표면에서 배양된 Chinese 햄스터 ovary(CHO) 세포, 섬유아세포, 내피세포의 특성을 보고했다.⁸⁵ 각 세포는 소수성이나 친수성의 위치보다 젖음성 구배표 면의 적당한 친수성을 가지는 위치에서 더 많이 부착됨이 관찰되었다. 세포의 모폴로지는 또한 Figure 11에 의해 관찰된 것처럼 젖음성 구배를 따라 변화되었다.
그것은 단백질 흡착의 펩티드 결합으로부터 주로 유도되었다. ESCA 분석으로부터 질소 피크(결합 에너지, -399 eV)가 젖음성 구배를 따라서 점차 감소되었음을 보여주며, 알부민 흡착이 표면의 소수성이 증가함에 따라 점차적으로 증가함을 나타낸다. 이것은 구배표면의 소수성 영역에서 단백질 분자의 소수성에 대한 상호작용이 증가했기 때문이다.
이와 같이 구배표면은 단백질과 세포와 같은 생물학적 종의 생물학적 상호작용과 거동을 시험하기 위해 매우 큰 잠재력을 제공할 수 있다. 구배표면으로 생물학적 종의 흡착은 작용기의 표면밀도가 증가할수록 점진적으로 감소함이 관찰되었다. 젖음성뿐만 아니라, 그들의 전하특성, 그리고 표면의 작용기는 생물학적 종의 흡착에 중요한 역할을 하는 것처럼 보인다.
알부민이 흡착된 표면은 또한 FUR-ATR로 분석하였다. 그것은 표면에 흡착된 단백질로부터 아미드 n (1500-1600 cm^-1) 흡수 bands가 또한 젖음성 구배에 따라 점차적으로 감소함을 관찰하였다. 계면활성제 용액에 알부민이 흡착된 구배 표면의 노출은 단백질의 부분적인 치환을 발생하였다.
코로나 전압의 서]기가 증가하는 위치에 따라 탄소-산 소 상관관계를 보여주는 높은 결합 에너지를 나타내는 새로운 피크가 확인되었다. 높은 결합 에너지 부분의 피크는 -C-O-가 ~286.6 eV(e.g, hydroxyl 혹은 ether 그룹)에서, -C=O-가 ~287.9 eV(e.g., 케톤 혹은 알데히드 그룹)에서, O=C-O-7} -289.1 eV(e.g 카복시산 혹은 에스터 그룹)에서 일치됨을 알았다. 산소를 바탕으로 한 작용기는 코로나 전압의 세기가 증가함에 따라 증가하였다.
PE, PR PS, PET, 그리고 PMMA를 포함하는 여러 고분자의 표면은 증기 플라스마 방천 처리에 의해 개질되었다. 증기 플라스마 처리에 의해서, 고분자 표면의 젖음성은 대부분 증가하였고, 표면 위에 도입된 거의 모든 작용기가 수산화 그룹이다. 증기 플라스마 처리에 의한 고분자 표면의 화학적 구조 변화는 물을 이용한 접촉각과 ESCA 측정을 이용하여 분석하였다.
여준다. 코로나 전압의 서]기가 증가하는 위치에 따라 탄소-산 소 상관관계를 보여주는 높은 결합 에너지를 나타내는 새로운 피크가 확인되었다. 높은 결합 에너지 부분의 피크는 -C-O-가 ~286.
세포의 모폴로지는 또한 Figure 11에 의해 관찰된 것처럼 젖음성 구배를 따라 변화되었다. 하루 동안 배양한 후에, 사용된 세포의 형태에 상관없이 세포는 소수성이나 친수성이 더 강한 부분에서 보다 젖음성 구배표면의 적당한 친수성 부분에서 더 넓은 분포와 퍼짐성을 가졌다. 세포가 적당한 친수성 표면에 더 많이 점착하고, 분포하고, 성장한다는 사실은 다른 표면 젖음성을 가지는 다양한 고분자 기질위에서 내피세포, HeLaS3, 섬유아세포를 배양한 일부 연구그룹들^7,8,20,22 에 의해서도 관찰되었다.

후속연구

다른 특수한 작용기나 전하를 띤 구배표면은 플라스마나 코로나 방전 처리 그래프트 반응을 통해 생성할 수 있으며, 표면화학, 양전하, 음전하 그리고 고체기질의 밀도와 연속적으로 관련된 생물학적 혹은 다른 종의 상호작용 거동에 대한 유용한 정보를 우리에게 줄 수 있다. 제작된 PE 구배표면이 연속적이므로 여러가지 성질을 가지는 단일 표면을 각각 사용하는 것보다 실험적으로 더 단순하기 때문에 이러한 방법이 실험을 통해 구배표면에서 기능적인 생물학적 종의 분석 연구에 유용할 것이라고 믿는다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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